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1、气象学与农业气象学第四章第四章大气中的水分大气中的水分第一节第一节空气湿度空气湿度一湿度参量一湿度参量1.水汽压水汽压e和饱和水汽压和饱和水汽压E概念概念单位：单位：1hpa=1mb=mmHg表示空气中水汽的绝对含量表示空气中水汽的绝对含量绝对湿度指标绝对湿度指标饱和水汽压饱和水汽压E主要取决于温度主要取决于温度温度温度饱饱和水汽和水汽压压关系曲关系曲线线E平冰面平冰面E平水面平水面2.比湿比湿qq=mv/(md+mv)比湿具有保守性比湿具有保守性-只要水汽质量和空气质量保持不只要水汽质量和空气质量保持不变，不管空气块如何膨胀或收缩，变，不管空气块如何膨胀或收缩，q均不变均不变3.相对湿度相对
2、湿度f表示在同一气温条件下，空气中水汽含量距饱和的表示在同一气温条件下，空气中水汽含量距饱和的程度，其大小除取决于水汽量以外，更重要的是决程度，其大小除取决于水汽量以外，更重要的是决定于温度定于温度是一个表示潮湿程度的相对湿度指标是一个表示潮湿程度的相对湿度指标4.饱和差饱和差d=E-e某气温条件下，空气块距离饱和的程度，某气温条件下，空气块距离饱和的程度，常用于讨论水分的蒸发或凝结常用于讨论水分的蒸发或凝结5.绝对湿度绝对湿度m6.单位体积空气中含有的水汽质量单位体积空气中含有的水汽质量6、露点温度露点温度td水汽含量不变、气压一定的条件下，使空气冷却水汽含量不变、气压一定的条件下，使空气冷
3、却到饱和时的温度即为露点温度到饱和时的温度即为露点温度露点温度之上下只与空气中水汽含量有关，是表露点温度之上下只与空气中水汽含量有关，是表示空气水汽湿度的绝对指标示空气水汽湿度的绝对指标td与实际气温之差可表示空气中水汽的饱和程度与实际气温之差可表示空气中水汽的饱和程度tde蒸发为主蒸发为主lEe凝结为主凝结为主lE=e动态平衡动态平衡而饱和水汽压的大小，也受诸多因素的影响而饱和水汽压的大小，也受诸多因素的影响（饱和水汽压大，则蒸发容易）（饱和水汽压大，则蒸发容易）l温度（指数关系）温度（指数关系）l蒸发面的形状和性质蒸发面的形状和性质溶溶液液-E溶液溶液E平面平面E凹面凹面二二.水面蒸发及土
4、壤蒸发水面蒸发及土壤蒸发1、水面蒸发、水面蒸发W0=A(E-e)W0=A(E-e)/P水面的蒸发速率主要取决于饱和差，具体水面的蒸发速率主要取决于饱和差，具体地，有风速、气压、温度、水汽压等因素地，有风速、气压、温度、水汽压等因素影响水面蒸发影响水面蒸发2、土壤蒸发、土壤蒸发二个主要阶段：二个主要阶段：稳高阶段稳高阶段水分充足，毛细管传导迅速，蒸水分充足，毛细管传导迅速，蒸发旺盛，蒸发速度主要取决于天气条件发旺盛，蒸发速度主要取决于天气条件稳低阶段稳低阶段土壤外表有一枯槁层，毛细管作土壤外表有一枯槁层，毛细管作用失效，蒸发发生于某一土壤层次，再经用失效，蒸发发生于某一土壤层次，再经土壤空隙扩散
5、至大气，蒸发速度主要取决土壤空隙扩散至大气，蒸发速度主要取决于土壤结构于土壤结构不同蒸发阶段的土壤保水措施！不同蒸发阶段的土壤保水措施！稳定高速蒸发阶段：土壤水分充分稳定高速蒸发阶段：土壤水分充分稳定低速蒸发阶段：土壤上层形成枯槁层稳定低速蒸发阶段：土壤上层形成枯槁层三三.农田蒸散农田蒸散农田蒸散农田蒸散=土壤蒸发土壤蒸发+植物蒸腾植物蒸腾关于植物蒸腾：关于植物蒸腾：Monteith公式公式影响植物蒸腾主要因素：影响植物蒸腾主要因素：植物的形态结构植物的形态结构气候条件气候条件农田蒸散影响因素：农田蒸散影响因素：l气象因素：气象因素：辐射差额、温度、湿度、风辐射差额、温度、湿度、风l植物因素：
6、植物因素：覆盖度、种类、生长状况、覆盖度、种类、生长状况、气孔结构气孔结构l土壤因素：土壤因素：结构、结构、性质、性质、含水量含水量四、农田需水量的估算四、农田需水量的估算关于水分的蒸散，关于水分的蒸散，有大量模型有大量模型l微气象学法微气象学法l水文学方法水文学方法l植物生理学方法植物生理学方法l遥感法遥感法FAO推举推举Penman-Monteith（P-M）方程）方程计算农田蒸散计算农田蒸散 1948年，年，Penman将能量平衡方程与空气动力学将能量平衡方程与空气动力学原理结合，首次提出著名的原理结合，首次提出著名的Penman公式：公式：:温度温度-饱和水汽压关系曲线在气温处的斜率饱
7、和水汽压关系曲线在气温处的斜率Ea：彭曼枯燥力（风速、温度、水汽压）：彭曼枯燥力（风速、温度、水汽压）：干湿表常数：干湿表常数(0.486)只适用于水分充分的条件（开放水面、充分湿润只适用于水分充分的条件（开放水面、充分湿润的土壤或供水充足的均匀矮小植被）的土壤或供水充足的均匀矮小植被）1965年年Monteith综合相关工作，引入外表阻抗，把它综合相关工作，引入外表阻抗，把它扩展到非充分湿润条件扩展到非充分湿润条件，提出冠层蒸散计算模式，即提出冠层蒸散计算模式，即著名的著名的Penman-Monteith模式：模式：Es：均温下的饱和水汽压；：均温下的饱和水汽压；e：实际水汽压；：实际水汽压
8、；ra：空气动力学阻力系数；：空气动力学阻力系数；rs：冠层动力学系数；：冠层动力学系数；：干湿表常数：干湿表常数以牧草为参考植物，简化参数后得：以牧草为参考植物，简化参数后得：U2：2m处的风速；处的风速；t：气温（：气温（）-FAO推举的植被蒸散计算公式推举的植被蒸散计算公式Penman-Monteith模型全面考虑了影响蒸模型全面考虑了影响蒸散过程的大气物理特性和植被的生理特性，散过程的大气物理特性和植被的生理特性，具有坚实的物理基础具有坚实的物理基础能比较充分考虑蒸散的变化过程及其影响能比较充分考虑蒸散的变化过程及其影响机制，是非饱和下垫面蒸散研究的理想方机制，是非饱和下垫面蒸散研究的
9、理想方法之一法之一可以计算逐月、逐旬、逐日、逐小时的参可以计算逐月、逐旬、逐日、逐小时的参考作物腾发量考作物腾发量FAO推举采用作物系数法计算作物需水量：推举采用作物系数法计算作物需水量：ETc=KcET0式中：式中：ETc为植物需水量，为植物需水量，mm/d；Kc为作物系为作物系数；数；ET0为参照蒸散量，为参照蒸散量，mm/d。l作物系数是某种作物的潜在蒸散量与参照蒸散作物系数是某种作物的潜在蒸散量与参照蒸散量之比，它反映不同作物与参照作物的区别。量之比，它反映不同作物与参照作物的区别。l作物系数受土壤、气候、作物生长阶段及状况作物系数受土壤、气候、作物生长阶段及状况和管理方式等多种因素综
10、合影响。和管理方式等多种因素综合影响。lFAO推举了大量植物的标准作物系数推举了大量植物的标准作物系数 P-M模型在植被蒸散研究中的开展方向模型在植被蒸散研究中的开展方向（1）与）与“3S”技术的结合技术的结合l遥感数据中可见光、近红外和热红外波段能够反遥感数据中可见光、近红外和热红外波段能够反映植被覆盖于地表温度的时空分布特征，可用于映植被覆盖于地表温度的时空分布特征，可用于能量平衡中净辐射、土壤热通量、感热通量和作能量平衡中净辐射、土壤热通量、感热通量和作物系数的计算。可结合水文模型以获取不同时间物系数的计算。可结合水文模型以获取不同时间步长的植被蒸散量步长的植被蒸散量lGIS作为新的技术
11、手段，可以为蒸散的模拟计算作为新的技术手段，可以为蒸散的模拟计算提供提供DEM、土地利用、植被分布等特征参数，并、土地利用、植被分布等特征参数，并且具有强大的数据编辑与处理功能，可为蒸散量且具有强大的数据编辑与处理功能，可为蒸散量的计算提供有效帮助的计算提供有效帮助（2）与高精仪器的结合）与高精仪器的结合l模型中的经验系数对模型模拟精度产生影响，需模型中的经验系数对模型模拟精度产生影响，需要对其有精确地测定要对其有精确地测定l随着蒸散测定手段和方法的不断进步，可运用精随着蒸散测定手段和方法的不断进步，可运用精密仪器在典型条件下获得的高精度实测数据反推密仪器在典型条件下获得的高精度实测数据反推诸
12、如冠层导度等参数，从而修正诸如冠层导度等参数，从而修正P-M方程，使之方程，使之与具体的植被系统相统一，提高对植被蒸散量的与具体的植被系统相统一，提高对植被蒸散量的估算精度估算精度（3）与新兴学科的结合与新兴学科的结合能量守恒定律能量守恒定律水分平衡原理水分平衡原理太阳辐射太阳辐射降水降水地表覆盖地表覆盖群落类型群落类型土壤特性土壤特性要素间的相互作用要素间的相互作用时空差质性时空差质性生态水文学、植被生态水文学、植被水文学、植被环境水文学、植被环境学等新兴学科研究学等新兴学科研究的重要内容的重要内容植被蒸散作用是复杂的物理过程和生物过程的耦植被蒸散作用是复杂的物理过程和生物过程的耦合，同当前
13、众多的新兴学科相结合合，同当前众多的新兴学科相结合植物的生理生态机制植物的生理生态机制植被生态水文过程动力学机制植被生态水文过程动力学机制改进改进P-M模型模型单叶或单株植物的尺单叶或单株植物的尺度测定植被蒸散量度测定植被蒸散量植物生理学方法植物生理学方法景观生态学等学科的尺景观生态学等学科的尺度转换相关理论与方法度转换相关理论与方法区域尺度的区域尺度的蒸散量蒸散量与运用与运用P-M模型计算的区域蒸散量进行比照研究模型计算的区域蒸散量进行比照研究第三节第三节凝结和凝结物凝结和凝结物一水汽的凝结条件一水汽的凝结条件水汽凝结或凝华的两个条件：水汽凝结或凝华的两个条件：1、空气中水汽的饱和或过饱和、
14、空气中水汽的饱和或过饱和2、有一定的凝结核心、有一定的凝结核心大气水汽饱和途径大气水汽饱和途径-增加水汽增加水汽（自然条件下，大规模增大水汽的可能性不大）（自然条件下，大规模增大水汽的可能性不大）-降低温度：降低温度：辐射降温、平流降温、混合降温、绝热降温等辐射降温、平流降温、混合降温、绝热降温等其中，绝热降温是自然条件下成云的最主要降温其中，绝热降温是自然条件下成云的最主要降温方式方式二凝结物二凝结物水汽在不同层次凝结可形成不同的凝结物水汽在不同层次凝结可形成不同的凝结物1、地面凝结物、地面凝结物-露、霜露、霜露露:空气中水汽在地面物体上的液化现象空气中水汽在地面物体上的液化现象 霜霜:空气
15、中水汽在地面物体上凝华为冰晶空气中水汽在地面物体上凝华为冰晶露、霜形成的有利条件露、霜形成的有利条件:晴朗无风晴朗无风 地面枯燥、深色地面枯燥、深色 辐射能力强辐射能力强露、霜的作用露、霜的作用:润物并缓解干旱润物并缓解干旱缓解降温缓解降温2、近地大气凝结物、近地大气凝结物-雾雾-微小水滴悬浮在空气中形成的自然现象微小水滴悬浮在空气中形成的自然现象据成因，可分成：据成因，可分成：l辐射雾辐射雾厚度薄、有明显日变化、形成于半夜、日厚度薄、有明显日变化、形成于半夜、日出后消散；出后消散；形成有利条件：形成有利条件：晴朗夜晚、水汽充分、微风、气层稳定、晴朗夜晚、水汽充分、微风、气层稳定、特殊地形（下
16、凹）更易形成特殊地形（下凹）更易形成有有“十雾九晴十雾九晴”一说一说长波辐射、降温、饱和长波辐射、降温、饱和平流雾平流雾-暖湿空气流到冷的下垫面而形成暖湿空气流到冷的下垫面而形成平流雾通常浓厚、持续时间长（海雾）平流雾通常浓厚、持续时间长（海雾）空气与下垫面间温差大，空气湿度大，有适空气与下垫面间温差大，空气湿度大，有适宜的风速、气层稳定宜的风速、气层稳定蒸发雾蒸发雾水面蒸发的水汽进入冷空气重新凝结而形成水面蒸发的水汽进入冷空气重新凝结而形成（北冰洋的冰洋烟雾）（北冰洋的冰洋烟雾）蒸发雾一般范围小，强度弱，通常发生在下半蒸发雾一般范围小，强度弱，通常发生在下半年的水塘周围年的水塘周围 雾的农业
17、意义：雾的农业意义：l寒冷季节阻挡长波辐射，缓和降温；寒冷季节阻挡长波辐射，缓和降温；l提高散射辐射比例，提高一些经济作物的提高散射辐射比例，提高一些经济作物的质量；质量；l减小昼夜温差、减弱太阳辐射、影响植物减小昼夜温差、减弱太阳辐射、影响植物的授粉、有利于病原菌孢子的繁殖生长和的授粉、有利于病原菌孢子的繁殖生长和病害发生病害发生3、自由大气凝结物、自由大气凝结物-云云（物理意义上，云与雾无本质区别）（物理意义上，云与雾无本质区别）自由大气中热力过程和动力过程的外观表现自由大气中热力过程和动力过程的外观表现动力过程：空气的上升运动动力过程：空气的上升运动热力过程：绝热降温热力过程：绝热降温-
18、空气由不饱和变成空气由不饱和变成饱和饱和-水汽得以凝结水汽得以凝结不同的运动形成不同的云不同的运动形成不同的云暖而有浮力的云在条件性不稳定的环境中暖而有浮力的云在条件性不稳定的环境中局地上升而形成的云，局地上升而形成的云，-积状云积状云稳定空气被强迫抬升稳定空气被强迫抬升-层状云层状云大气的波动运动大气的波动运动-波状云波状云特殊地形条件下的强迫抬升特殊地形条件下的强迫抬升-地形云地形云国际气象组织把云分成三族、国际气象组织把云分成三族、10属、属、29类类一、高云族一、高云族l形成于形成于6000m以上高空分三属，卷云类。以上高空分三属，卷云类。由冰晶体组成。由冰晶体组成。l高云一般呈纤维状
19、，薄薄的并透明高云一般呈纤维状，薄薄的并透明 1、卷云（、卷云（Ci，Cirrus）l丝缕状结构，柔丝般光泽，别离散乱丝缕状结构，柔丝般光泽，别离散乱l云体通常白色无暗影，呈丝条状、羽毛云体通常白色无暗影，呈丝条状、羽毛状、马尾状、钩状、片状、砧状等。状、马尾状、钩状、片状、砧状等。2、卷积云（、卷积云（Cc，Cirrocumulus）l似鳞片或球状细小云块组成的云片或云似鳞片或球状细小云块组成的云片或云层，常排列成行或成群，很象轻风吹过层，常排列成行或成群，很象轻风吹过水面所引起的小波纹水面所引起的小波纹l白色无暗影，有柔丝般光泽白色无暗影，有柔丝般光泽l卷积云可由卷云、卷层云演变而成卷积云
20、可由卷云、卷层云演变而成3、卷层云（、卷层云（Cs，Cirrostratus）l白色透明的云幕，日、月透过云幕时轮廓白色透明的云幕，日、月透过云幕时轮廓清楚，地物有影，常有晕环。清楚，地物有影，常有晕环。l有时云的组织薄得几乎看不出来，只使天有时云的组织薄得几乎看不出来，只使天空呈乳白色；有时丝缕结构隐约可辨，好空呈乳白色；有时丝缕结构隐约可辨，好象乱丝一般象乱丝一般二、中云族二、中云族形成于形成于2500至至6000m的高空。通常由过的高空。通常由过度冷冻的小水点组成。度冷冻的小水点组成。1、高积云（、高积云（Ac，Altocumulus）l云块较小，轮廓清楚，常呈扁圆形、瓦块云块较小，轮廓
21、清楚，常呈扁圆形、瓦块状、鱼鳞片，或是水波状的密集云条状、鱼鳞片，或是水波状的密集云条l成群、成行、成波状排列。成群、成行、成波状排列。2、高层云（、高层云（As，Altostratus）l带有条纹或纤缕结构的云幕，有时较均带有条纹或纤缕结构的云幕，有时较均匀，颜色灰白或灰色，有时微带蓝色匀，颜色灰白或灰色，有时微带蓝色l云层较薄局部，可以看到昏暗不清的日云层较薄局部，可以看到昏暗不清的日月轮廓，看去好象隔了一层毛玻璃月轮廓，看去好象隔了一层毛玻璃 三、低云族三、低云族l形成于形成于2500以下的大气中以下的大气中l包括浓密灰暗的层云、层积云（不连续包括浓密灰暗的层云、层积云（不连续的层云）和
22、浓密灰暗兼带雨的雨层云的层云）和浓密灰暗兼带雨的雨层云1、雨层云（、雨层云（Ns，Nimbostratus）l厚而均匀的降水云层，完全遮蔽日月，呈厚而均匀的降水云层，完全遮蔽日月，呈暗灰色，布满全天，常有连续性降水暗灰色，布满全天，常有连续性降水l如因降水不及地在云底形成雨（雪）旛时，如因降水不及地在云底形成雨（雪）旛时，云底显得混乱，没有明确的界限云底显得混乱，没有明确的界限 2、层积云（、层积云（Sc，Stratocumulus）l团块、薄片或条形云组成的云群或云层，常团块、薄片或条形云组成的云群或云层，常成行、成群或波状排列。成行、成群或波状排列。l云块个体都相当大，其视宽度角多数大于云
23、块个体都相当大，其视宽度角多数大于5（相当于一臂距离处三指的视宽度）。（相当于一臂距离处三指的视宽度）。l云层有时满布全天，有时分布稀疏，常呈灰云层有时满布全天，有时分布稀疏，常呈灰色、灰白色，常有假设干局部比较阴暗色、灰白色，常有假设干局部比较阴暗3、层云（、层云（St，Stratus）l低而均匀的云层，象雾，但不接地，呈低而均匀的云层，象雾，但不接地，呈灰色或灰白色。灰色或灰白色。l层云除直接生成外，也可由雾层缓慢抬层云除直接生成外，也可由雾层缓慢抬升或由层积云演变而来升或由层积云演变而来l可降毛毛雨或米雪可降毛毛雨或米雪 四、直展云族四、直展云族直展云有非常强的上升气流，可以一直从直展云
24、有非常强的上升气流，可以一直从底部长到更高处底部长到更高处1、积云（、积云（Cu，Cumulus）垂直向上开展的、顶部呈圆弧形或圆拱形垂直向上开展的、顶部呈圆弧形或圆拱形重叠凸起，而底部几乎是水平的云块。云体重叠凸起，而底部几乎是水平的云块。云体边界清楚边界清楚 2、积雨云（、积雨云（Cb，Cumulonimbus）l云体浓厚庞大，垂直开展极盛，远看很象耸云体浓厚庞大，垂直开展极盛，远看很象耸立的高山。立的高山。l云顶由冰晶组成，有白色毛丝般光泽的丝缕云顶由冰晶组成，有白色毛丝般光泽的丝缕结构，常呈铁砧状或马鬃状。结构，常呈铁砧状或马鬃状。l云底阴暗混乱，起伏明显，有时呈悬球状结云底阴暗混乱，
25、起伏明显，有时呈悬球状结构。构。l积雨云常产生雷暴、阵雨（雪），或有雨积雨云常产生雷暴、阵雨（雪），或有雨（雪）旛下垂（雪）旛下垂第四节第四节大气降水大气降水降水是在一定的宏观条件和微观过程共同作降水是在一定的宏观条件和微观过程共同作用下完成的，二者缺一不可用下完成的，二者缺一不可充分的水汽和空气的上升运动是形成降充分的水汽和空气的上升运动是形成降水的必要的水的必要的宏观条件宏观条件云滴增长成为降水质粒的过程则为降水云滴增长成为降水质粒的过程则为降水的的微观过程微观过程一暖云降水一暖云降水暖云云顶温度高于暖云云顶温度高于0的云的云凝结核化凝结核化凝结增长凝结增长碰并增长碰并增长（重力碰并暖云降
26、水物理基础）（重力碰并暖云降水物理基础）连锁反响（暖云降水繁生机制）连锁反响（暖云降水繁生机制）二冷云降水云顶高于二冷云降水云顶高于0等温线的云等温线的云（通常为混合云，也有冰晶云）（通常为混合云，也有冰晶云）凝华核化凝华核化冰晶效应冰晶效应冷云降水的物理基础冷云降水的物理基础（Bergeron过程）过程）碰并增长碰并增长三降水特征量及其分析三降水特征量及其分析A、降水量降水量R降水落到地面，未经蒸发、渗透和径流而降水落到地面，未经蒸发、渗透和径流而积聚在地面上的厚度即为降水量积聚在地面上的厚度即为降水量降水等级划分标准降水等级划分标准(24h降水量降水量)降水类型降水类型降水强度降水强度等级
27、等级小雨小雨10.0中雨中雨10.125.0雨雨(mm/日日)大雨大雨25.150.0暴雨暴雨50.1100.0大暴雨大暴雨100.1200.0特大暴雨特大暴雨200.1雪雪(mm/日日)小雪小雪2.4中雪中雪2.55.0大雪大雪5.0B、降水距平、降水变率、枯燥系数降水距平、降水变率、枯燥系数p降水距平、降水变率降水距平、降水变率降水距平降水距平=该地实际降水量该地实际降水量-该时段多年平均降水量该时段多年平均降水量降水变率降水变率=降水距平降水距平/该时段多年平均降水量该时段多年平均降水量*100%表示一地降水的年际变动情况：表示一地降水的年际变动情况：-愈大，愈易成灾愈大，愈易成灾p枯燥
28、系数枯燥系数KK=W0/R用于鉴定一地的干湿状况用于鉴定一地的干湿状况-其倒数为湿润系数其倒数为湿润系数四四.人工影响云雾人工影响云雾1人工影响冷云人工影响冷云干冰法干冰法（卵翼区（卵翼区-78.9、影响区、影响区-40.0）直径直径1cm的干冰，在的干冰，在-10.0的环境中，可形成的环境中，可形成1011个冰晶个冰晶碘化银法碘化银法淡黄色粉末、亲水性强淡黄色粉末、亲水性强在在-10.0的环境中，的环境中，1g可形成可形成1012-13个冰晶；个冰晶；PbI、CuS、四聚乙醛、四聚乙醛2人工影响暖云人工影响暖云重力碰并是暖云降水的物理基础重力碰并是暖云降水的物理基础大小水滴共存是发生重力碰并
29、的重要条件大小水滴共存是发生重力碰并的重要条件稳定的窄谱云是不能产生有效降水的关键稳定的窄谱云是不能产生有效降水的关键方法：引入大水滴或吸湿性物质，产生初始大水方法：引入大水滴或吸湿性物质，产生初始大水滴，改变滴谱分布的均匀性，破坏云的稳滴，改变滴谱分布的均匀性，破坏云的稳定状态，促使重力碰并过程的进行定状态，促使重力碰并过程的进行引入大水滴吸湿性物质产生初始大水滴破坏云的稳定态启动重力碰并过程形成降水目前采用的方法有：目前采用的方法有：l直接在云中引入直接在云中引入3040微米的大水滴，以微米的大水滴，以启动重力碰并过程；启动重力碰并过程；l撒播吸湿性物质以催云致雨，一般采用吸撒播吸湿性物质
30、以催云致雨，一般采用吸湿性很强的盐粉，当空气湿度达湿性很强的盐粉，当空气湿度达78%时，时，盐粒即到达平衡水汽压，故能在云中通过盐粒即到达平衡水汽压，故能在云中通过凝结而迅速形成大水滴；凝结而迅速形成大水滴；l撒播外表活性物，启动连锁反响撒播外表活性物，启动连锁反响 3、人工消雾、人工消雾人工降雨人工降雨4、人工消雹、人工消雹人工降雨法人工降雨法爆炸法爆炸法5、人工消雨、人工消雨第五章第五章天气学原理天气学原理第一节第一节气压场和风场气压场和风场一、气压场概念一、气压场概念气压：大气所产生的压强气压：大气所产生的压强马德堡半球实验马德堡半球实验大气压存在大气压存在托里拆利实验托里拆利实验大气压
31、的大小大气压的大小 1、大气静力学基本方程、大气静力学基本方程P=P2-P1W=mg=gzP=-gzdP=-gdz-大气静力学基本方程基本形式大气静力学基本方程基本形式l气压的变化（高度、温度）气压的变化（高度、温度）l压高公式压高公式H2-H1=18400（1+tm）lgP1/P2 2、气压场的表示方法、气压场的表示方法l等高面上的等压线等高面上的等压线l等压面上的等高线等压面上的等高线气压场的表示方法示意气压场的表示方法示意3、气压场的基本型式、气压场的基本型式l低压中心低压中心:由封闭等值线构成的，气压从中心向外逐由封闭等值线构成的，气压从中心向外逐渐增大的区域渐增大的区域l低压槽低压槽
32、、槽线、槽线由低压中心向外延伸的狭长区域曲率最由低压中心向外延伸的狭长区域曲率最大的点的连线即为槽线大的点的连线即为槽线l高压中心高压中心高压脊脊线高压脊脊线低压中心与低压槽低压中心与低压槽高压中心与高压脊高压中心与高压脊鞍型气压场鞍型气压场4、气压的时间变化、气压的时间变化l周期变化：周期变化：日变化日变化年变化年变化p非周期变化：非周期变化：气压的非周期性变化是指没有固定周期的气气压的非周期性变化是指没有固定周期的气压波动，是气压系统移动和演变的结果压波动，是气压系统移动和演变的结果由于其与天气的关系，更受关注由于其与天气的关系，更受关注第一节第一节气压场和风场气压场和风场一、气压场概念一
33、、气压场概念二、作用在大气上的力二、作用在大气上的力(水平方向水平方向)1、水平气压梯度力、水平气压梯度力G600hpa620hpa640hpa660hpa水平气压梯度力水平气压梯度力G方向：高压指向低压方向：高压指向低压大小：与气压梯度成正比大小：与气压梯度成正比气压梯度力气压梯度力G有平直气压系统如下：有平直气压系统如下：ACB地转偏向力地转偏向力（虚拟力）（虚拟力）CB2、水平地转偏向力、水平地转偏向力A水平地转偏向力水平地转偏向力A方向：指向运动方向的右侧（南半球相反）方向：指向运动方向的右侧（南半球相反）大小：取决于运动速度大小：取决于运动速度及纬度：纬度越高，及纬度：纬度越高，A越
34、大越大3、惯性离心力、惯性离心力C曲线运动曲线运动方向指向曲线运动的外侧方向指向曲线运动的外侧4、摩擦力、摩擦力R：运动：运动方向方向:运动方向的反方向运动方向的反方向自由大气自由大气:摩擦力可以忽略摩擦力可以忽略近地大气近地大气:必须考虑摩擦力必须考虑摩擦力(摩擦层摩擦层)水平气压梯度力水平气压梯度力G水平地转偏向力水平地转偏向力A惯性离心力惯性离心力C摩擦力摩擦力R大气运动的原始驱动力大气运动的原始驱动力伴随着大气运动而产生伴随着大气运动而产生曲线运动中产生曲线运动中产生存在于摩擦层存在于摩擦层大气的受力状况决定了大气的运动状况大气的受力状况决定了大气的运动状况三大气层中的风空气的水平运动
35、三大气层中的风空气的水平运动1、自由大气的风、自由大气的风1.1地转风地转风地转风地转风-平直气压系统中平直气压系统中地转平衡条件下的空气运动地转平衡条件下的空气运动地转平衡：地转平衡：A与与G大小相等，方向相反大小相等，方向相反(只出现在自由大气平直运动过程中只出现在自由大气平直运动过程中)-地转风的形成示意地转风的形成示意地转风地转风大小：与水平气压梯度成正比大小：与水平气压梯度成正比.反映在等值线图反映在等值线图上，等值线越密，地转风越大上，等值线越密，地转风越大方向：与等压线平行，具体可依白贝罗定律确定方向：与等压线平行，具体可依白贝罗定律确定白贝罗定律白贝罗定律(北半球北半球)-背风
36、而立，高压在右，背风而立，高压在右，低压在左低压在左南半球相反南半球相反三大气层中的风三大气层中的风1、自由大气的风、自由大气的风1.1地转风地转风1.2梯度风梯度风梯度风梯度风空气作曲线运动，气压梯度力、地转偏向力和空气作曲线运动，气压梯度力、地转偏向力和惯性离心力三力平衡条件下惯性离心力三力平衡条件下形成的空气运动形成的空气运动A（高压中心）（高压中心）CG梯度风梯度风曲线系统中梯度风基本格局曲线系统中梯度风基本格局低压中心附近：逆时钟旋转低压中心附近：逆时钟旋转高压中心附近：顺时钟旋转高压中心附近：顺时钟旋转三大气层中的风三大气层中的风2、摩擦层中的风、摩擦层中的风在摩擦力的作用下，空气
37、运动穿过在摩擦力的作用下，空气运动穿过等压线，指向低压一侧等压线，指向低压一侧R摩擦力作用下高压中心和低压中心摩擦力作用下高压中心和低压中心附近的空气运动附近的空气运动台台风风云云图图1在近地大气中，由于有摩擦力的作用在近地大气中，由于有摩擦力的作用风向发生偏转：穿过等压线，偏向低压一侧风向发生偏转：穿过等压线，偏向低压一侧（陆地（陆地35-45度）度）风速则减弱：陆地风速则减弱：陆地55-65%，海洋，海洋30-40%摩擦力作用下，摩擦层中白贝罗定律修正为：摩擦力作用下，摩擦层中白贝罗定律修正为：背风而立，低压在左前侧，高压在右后侧；背风而立，低压在左前侧，高压在右后侧；在南半球相反在南半球
38、相反摩擦力作用下风向的这种偏转，导致不摩擦力作用下风向的这种偏转，导致不同气压系统操作下的不同天气同气压系统操作下的不同天气空气在逆时针旋转过程中空气在逆时针旋转过程中存在内流分量存在内流分量空气在低压中心堆积空气在低压中心堆积空气强迫抬升空气强迫抬升绝热降温、空气变成饱和绝热降温、空气变成饱和水汽凝结，成云、致雨水汽凝结，成云、致雨低压中心低压中心空气在顺时针旋转过程中空气在顺时针旋转过程中存在外流分量存在外流分量空气在低压中心辐散空气在低压中心辐散高空空气下沉高空空气下沉绝热升温、空气变成不饱和绝热升温、空气变成不饱和水汽蒸发，天气晴朗水汽蒸发，天气晴朗高压中心高压中心低压中心操作下通常以
39、低压中心操作下通常以阴雨天气为主阴雨天气为主高压中心操作下天气晴高压中心操作下天气晴好！好！第二节第二节大气环流大气环流l大范围的大气运动状态。大范围的大气运动状态。水平范围：数千水平范围：数千km，垂直尺度：，垂直尺度：10km以上，以上，时间尺度：时间尺度：12日以上日以上l是不同尺度天气系统发生、开展、移动的背景是不同尺度天气系统发生、开展、移动的背景一、影响大气环流的重要因素：一、影响大气环流的重要因素：1、太阳辐射、太阳辐射-单圈环流单圈环流一、影响大气环流的重要因素：一、影响大气环流的重要因素：1、太阳辐射、太阳辐射-单圈环流单圈环流2、地球自转、地球自转-三圈环流三圈环流行星风带
40、：行星风带：低纬东北信风带低纬东北信风带中纬盛行西风带中纬盛行西风带高纬极地东风带高纬极地东风带行星气压带：行星气压带：赤道低压带赤道低压带副热带高压带副热带高压带付极地低压带付极地低压带极地高压带极地高压带一、影响大气环流的重要因素：一、影响大气环流的重要因素：1、太阳辐射、太阳辐射-单圈环流单圈环流2、地球自转、地球自转-三圈环流三圈环流3、海陆分布海陆分布-实际大气环流实际大气环流由于有海陆分布的影响，使气压带分裂，由于有海陆分布的影响，使气压带分裂，形成大气活动中心形成大气活动中心又由于海陆在冬夏季节相对冷热特性的又由于海陆在冬夏季节相对冷热特性的转换，使上下压系统随季节有所变化转换，
41、使上下压系统随季节有所变化冬季：冬季：l赤道带：仍呈带状，南移至南半球赤道带：仍呈带状，南移至南半球l副热带：陆地高压副热带：陆地高压弱弱海洋高压海洋高压弱弱（夏威夷高压、亚速尔高压）（夏威夷高压、亚速尔高压）l温温带：带：陆地强、范围广陆地强、范围广（蒙古高压、北美高压）（蒙古高压、北美高压）海洋强、范围广海洋强、范围广（阿留申低压、冰岛低压）（阿留申低压、冰岛低压）夏季：夏季：l赤道带：仍呈带状，中心北移赤道带：仍呈带状，中心北移l副热带：陆地热低压强、范围广副热带：陆地热低压强、范围广（印度低压，北美低压）（印度低压，北美低压）海洋高压强、范围广海洋高压强、范围广（太平洋副高，大西洋副高
42、）（太平洋副高，大西洋副高）l温温带：带：陆地弱热低压，陆地弱热低压，海洋海洋-阿留申低压消失，冰岛低压减弱阿留申低压消失，冰岛低压减弱 二、地方性环流二、地方性环流1、季风、季风大范围盛行的、风向随季节变化显大范围盛行的、风向随季节变化显著变化的风系著变化的风系 2、海陆风、海陆风因海洋和陆地受热不均匀而在海岸因海洋和陆地受热不均匀而在海岸附近形成的一种昼夜交替的风系附近形成的一种昼夜交替的风系 二、地方性环流二、地方性环流3、山谷风、山谷风由于山谷与其附近空气之间的热力由于山谷与其附近空气之间的热力差异而引起白天吹谷风，夜晚吹山风差异而引起白天吹谷风，夜晚吹山风 4、焚风、焚风气流越山在背
43、风坡下沉而变得干热气流越山在背风坡下沉而变得干热的一种地方性风的一种地方性风第三节第三节气团和锋气团和锋从温度场着手，分析天气演变规律从温度场着手，分析天气演变规律一气团一气团AirMassl概念：概念：占据广阔空间的空气团，水平要素均匀、垂占据广阔空间的空气团，水平要素均匀、垂直方向变化一致、操作地区天气相同大规模直方向变化一致、操作地区天气相同大规模空气团空气团l形成与变性：形成与变性：均匀下垫面、较长时间的停留、反气旋配合均匀下垫面、较长时间的停留、反气旋配合气团变性的过程可能就是新气团的形成过程气团变性的过程可能就是新气团的形成过程一气团一气团AirMassl概念：概念：占据广阔空间的
44、空气团，水平要素均匀、垂占据广阔空间的空气团，水平要素均匀、垂直方向变化一致、操作地区天气相同大规模直方向变化一致、操作地区天气相同大规模空气团空气团l形成与变性：形成与变性：均匀下垫面、较长时间的停留、反气旋配合均匀下垫面、较长时间的停留、反气旋配合气团变性的过程可能就是新气团的形成过程气团变性的过程可能就是新气团的形成过程1分分类：类：热力分类热力分类暖气团、冷气团暖气团、冷气团地理分类地理分类北极气团北极气团极地气团（海洋、大陆）极地气团（海洋、大陆）热带气团（海洋、大陆）热带气团（海洋、大陆）赤道气团赤道气团1我国的主要气团活动我国的主要气团活动冬季：极地大陆气团、热带海洋气团冬季：极
45、地大陆气团、热带海洋气团北极气团南下可带来寒潮天气北极气团南下可带来寒潮天气夏季：西伯利亚气团、热带海洋气团；夏季：西伯利亚气团、热带海洋气团；热带大陆气团带来干热天气热带大陆气团带来干热天气赤道气团带来长江中下游地区大量降水赤道气团带来长江中下游地区大量降水春季：西伯利亚气团和热带海洋气团势力相当、春季：西伯利亚气团和热带海洋气团势力相当、互有进退，互有进退，带来多变天气带来多变天气秋季：变性的西伯利亚气团占主导地位，带来宜秋季：变性的西伯利亚气团占主导地位，带来宜人的秋高气爽天气人的秋高气爽天气 二二锋锋Front1、概念：、概念：不同性质的气团相遇而形成的过渡区域不同性质的气团相遇而形成
46、的过渡区域（锋区、锋面、锋线、锋）（锋区、锋面、锋线、锋）2、特性：、特性：倾斜倾斜锋两侧气象要素有突变锋两侧气象要素有突变（温度、湿度、气压、风和天气现象）（温度、湿度、气压、风和天气现象）3、分类：分类：冷锋冷锋暖锋暖锋静止锋静止锋4、锋面天气、锋面天气由于锋面附近有空气的相对运动，导致各由于锋面附近有空气的相对运动，导致各种天气现象种天气现象冷锋冷锋I天气模型天气模型冷锋冷锋II天气模型天气模型暖锋天气模型暖锋天气模型第四节第四节长江中下游地区主要农业天气长江中下游地区主要农业天气一一系统性低温天气系统性低温天气1、冷高压活动、冷高压活动2、源地：新地岛以东、以西洋面，冰岛附近、源地：新
47、地岛以东、以西洋面，冰岛附近3、关键区：、关键区：70-90E,43-65N西西伯利亚地区西西伯利亚地区95%的影响中国的冷空气经过该区，并的影响中国的冷空气经过该区，并得到加强得到加强4、防御措施、防御措施第四节第四节长江中下游地区主要农业天气长江中下游地区主要农业天气一一系统性低温天气系统性低温天气1、冷高压活动、冷高压活动2、源地：新地岛以东、以西洋面，冰岛附近、源地：新地岛以东、以西洋面，冰岛附近3、关键区：、关键区：70-90E,43-65N西西伯利亚地区西西伯利亚地区95%的影响中国的冷空气经过该区，并的影响中国的冷空气经过该区，并得到加强得到加强4、防御措施、防御措施二二连阴雨天
48、气连阴雨天气1、概念：、概念：3-5天以上的降水，或降水期间，间天以上的降水，或降水期间，间有阴天或短暂晴天的天气有阴天或短暂晴天的天气2、连阴雨天气通常是由稳定雨带带来的、连阴雨天气通常是由稳定雨带带来的3、稳定雨带与副高脊线位置的关系：雨带通、稳定雨带与副高脊线位置的关系：雨带通常在副高脊线以北常在副高脊线以北8-10个纬度个纬度我国副高脊线位置有明显的年移动规律：我国副高脊线位置有明显的年移动规律：时间时间脊线位置脊线位置雨区雨区冬季冬季20N以南以南华南沿海华南沿海春季春季渐北移渐北移华南华南（偏北，可影响到华东（偏北，可影响到华东春季连阴雨）春季连阴雨）-7上上20-25N江淮（梅雨
49、）江淮（梅雨）7月中月中跳过跳过25N黄河流域黄河流域-35N东北、华北东北、华北8月上旬月上旬开始南撤开始南撤9月上旬月上旬25N长江流域秋季连阴雨长江流域秋季连阴雨10月上旬月上旬20N以南以南副热带高压在季节变化过程中，通常副热带高压在季节变化过程中，通常北上结合西伸，南撤结合东退北上结合西伸，南撤结合东退三三干干旱旱-我国最严峻的自然灾害我国最严峻的自然灾害干旱：长期无雨或少雨，使土壤水分缺乏、干旱：长期无雨或少雨，使土壤水分缺乏、作物水分平衡遭到破坏而减产的气象灾害作物水分平衡遭到破坏而减产的气象灾害 l干旱气候干旱气候l气候异常气候异常1、干旱类型：、干旱类型：按受害机制：按受害机
50、制：l土壤干旱土壤干旱土壤含水量少、植株体内水分收土壤含水量少、植株体内水分收支失衡支失衡l大气干旱大气干旱空气枯燥、蒸散强烈、根系从土空气枯燥、蒸散强烈、根系从土壤汲取的水分难以补偿壤汲取的水分难以补偿l生理干旱生理干旱土壤环境条件不良，使根系的生土壤环境条件不良，使根系的生理活动发生障碍、导致植株体内水分失衡理活动发生障碍、导致植株体内水分失衡按时期：按时期：春旱春旱华北地区，频率高，影响播种、出苗、华北地区，频率高，影响播种、出苗、返青返青-“春雨贵如油春雨贵如油”夏旱夏旱长江中下游地区，频率不高但危害大长江中下游地区，频率不高但危害大（生长最旺盛时期）（生长最旺盛时期）秋旱秋旱长江中下